基于煙氣再循環技術的膨脹煙絲焚燒爐排放煙氣治理

黃威 HUANG Wei；張占濤 ZHANG Zhan-tao；王金旺 WANG Jin-wang

（①上海煙草集團有限責任公司，上海 200082；②鄭州益盛工程科技有限公司，鄭州 450001；③上海碳索能源服務股份有限公司，上海 201108）

0 引言

卷煙廠干冰膨脹煙絲生產線熱端的焚燒爐是熱端的重要核心設備，該設備既是一臺加熱工藝氣體的熱風爐又是焚燒工藝廢氣的焚燒爐。一方面，該焚燒爐以天然氣為燃料燃燒生成的高溫爐氣，通過熱交換器為混合一定量高溫水蒸汽的工藝氣體提供熱量，使工藝氣體達到規定溫度，工藝氣體通過循環工藝風機輸送到升華器，與浸漬過干冰的煙絲快速混合，隨著干冰快速升華，實現了煙絲膨脹的效果；另一方面，煙絲膨脹過程中產生的有害工藝廢氣又作為助燃風的一部分，通過廢氣風機送入該焚燒爐燃燒器，在爐內燃燒干凈生成高溫爐氣排出。

因工藝廢氣中含有含氮有機物，以致膨脹煙絲焚燒爐產生的燃燒煙氣中氮氧化物濃度遠高于常規天然氣熱風爐，且由于排放煙氣含氧量較高，其中氮氧化物濃度高于上海地標排放要求，需開展尾氣脫硝治理，而煙氣再循環低氮燃燒技術是一項較佳的節能減排技術路線。

1 煙氣再循環技術

煙氣再循環是將部分煙氣通過外部循環或內部循環的方式，送入爐內與燃燒空氣混合后參與燃燒的技術。煙氣外循環（FGR）是通過外部煙道，將部分煙囪排放煙氣與助燃空氣混合送入燃燒器參與燃燒的煙氣循環過程。由于煙氣含氧量和溫度相對皆較低，將其通入爐內，可達到同時降低燃燒氣氛溫度和氧氣含量的目的。經驗表明，當煙氣再循環量為15%～20%時，窯爐的NOX排放量可降低25%左右[1]。

1.1 煙氣再循環協同治理煙氣中CO 與NOX 的原理

煙氣再循環的本質是通過將燃燒產出的煙氣重新引入燃燒區域，降低燃燒溫度，從而降低氮氧化物的排放。煙氣主要以兩種途徑降低熱力型氮氧化物的生成，首先煙氣的溫度比火焰溫度要低，而且煙氣不助燃，可被用作稀釋劑吸收火焰中的熱量使火焰溫度降低，另一方面，煙氣能降低反應區內的平均氧濃度，避免大量游離的氮原子與氧原子產生化學反應生成NO。

TAUSTER S J 等[2]在1976 年率先提出了CO 選擇性催化還原法（CO-SCR）來進行脫硝，國內外研究表明貴金屬、Cu 基、過渡金屬氧化物等均可作為催化劑來參與CO催化還原NOX的反應。符若文[3]等2001 年采用負載鈀-銅或鈀金屬的活性碳纖維為吸附催化材料，填充于反應器中并控制于預定溫度，將CO 與NOX混合氣體按一定流速通過反應器，NOX即被還原成為O2，CO 即被氧化為CO2。徐瓊[4]等2015 年采用催化劑活性組分為氧化銅或和氧化亞銅，以氧化銅計，活性組分的含量占催化劑總重量的1%～30%；該催化劑能在低溫下單獨或同時高效脫除煙氣中的CO 與NOX，在225℃單獨脫除NOX的脫除率達到97%，在275℃單獨脫除CO 的脫除率達到93%，在250℃同時脫除NOX與CO 的脫除率分別達到94%和88%。

根據對該焚燒爐排放煙氣的溫度和CO 與NOX濃度比例分析，在焚燒爐煙囪段設置CO-SCR 裝置，可利用煙氣中CO 還原NOX來進行煙氣協同治理，可同時消除煙氣中CO 和NOX兩種污染物，符合“雙碳”綠色發展的理念，實現以廢治廢、避免二次污染。

1.2 煙氣再循環降氮工藝及其要求

1.2.1煙風混合于助燃風機前工藝

煙風混合于助燃風機前的工藝流程見圖1。工藝要求如下：①FGR 煙氣管道接入到助燃風機進風道；②助燃風機入口風道安裝助燃空氣流量調節閥（煙風混合點煙氣側壓力高于空氣側壓力時，無需助燃空氣流量調節閥）；③助燃風機將FGR 煙氣與空氣充分均勻混合后送至燃燒器參與燃燒反應，混合空氣流量通過燃燒器本體的風門擋板調節或通過鼓風機變頻器進行調節；④在FGR 管道及風道的低位安裝冷凝水排水閥。

圖1 煙風混合于助燃風機前工藝流程

1.2.2煙風混合于助燃風機前工藝（帶循環風機）

煙風混合于助燃風機前工藝流程（帶循環風機）的工藝流程見圖2。工藝要求如下：①無需助燃空氣流量調節閥；②FGR 煙氣管道接入到FGR 風機入口；③FGR 風機出口安裝煙氣流量調節閥，調節閥出口接入到助燃風機入口風道；④助燃風機將FGR 煙氣與空氣充分均勻混合后送至燃燒器參與燃燒反應，混合空氣流量通過燃燒器本體的風門擋板調節或通過鼓風機變頻器進行調節；⑤在FGR管道及風道的低位安裝冷凝水排水閥。

圖2 煙風混合于助燃風機前工藝流程（帶循環風機）

1.2.3煙風混合于助燃風機后工藝

煙風混合于助燃風機后工藝流程的工藝流程見圖3。工藝要求如下：①無需助燃空氣流量調節閥；②FGR 煙氣管道接入到FGR 風機入口，FGR 風機為變頻風機；③FGR風機出口安裝煙氣流量調節閥，煙氣流量調節閥出口接入到鼓風機的出口風道或煙風混合器（如需要）；④煙風混合器安裝于鼓風機的出口；⑤煙風混合器和燃燒器風箱留有足夠長度；⑥FGR 煙氣與助燃空氣直接在鼓風機出口的風道內混合或在混合器內混合后再送至燃燒器參與燃燒反應，混合空氣流量通過燃燒器本體的風門擋板調節或通過鼓風機變頻器進行調節；⑦在FGR 管道及風道的低位安裝冷凝水排水閥。

圖3 煙風混合于助燃風機后工藝流程（帶循環風機）

2 煙氣再循環低氮燃燒技術應用

上海卷煙廠某生產車間膨脹煙絲熱端焚燒爐在正常帶料運行情況下，天然氣耗量為約73m3/h，焚燒爐爐溫在700～800℃，煙囪排放煙氣溫度約310℃，煙氣排放量約11000m3/h。由于該焚燒爐助燃風的組分比例和引入爐頭方式（見圖4 所示），排放煙氣呈不完全燃燒狀態。經檢測顯示，排放煙氣的含氧量為16%～17%，氮氧化物濃度為65～85mg/Nm3（氮氧化物折算濃度200mg/Nm3以上，基準氧按9%[1]），特別的是一氧化碳的濃度達到300mg/Nm3以上。因此該工業窯爐亟需進行技術升級改造。

圖4 焚燒爐內部結構煙風流程圖

如圖5 所示為應用煙氣再循環技術進行低氮燃燒改造的工藝流程，紅色虛線為再循環煙氣管路，再循環煙氣由煙囪開口引入至廢氣風機入口的主廢氣管路，在循環煙氣管路上設置調節閥。通過煙囪正壓和廢氣風機入口管路負壓形成的壓差動力而引入來自煙囪的循環煙氣。圖6 左圖為煙氣再循環管路實施后的管路連接，右圖為煙氣再循環管路實施前的鏡像圖。

圖5 煙氣再循環技術改造后系統工藝流程

圖6 煙氣再循環管路實施圖（左圖為實施后，右圖為實施前鏡像圖）

煙氣再循環管路實施完畢后，分別進行了焚燒爐空載和帶負載運行的試驗測試，試驗結果如表1 和表2 所示。

表1 空載運行測試數據

表2 負載運行測試數據

由表1 知：焚燒爐空載運行時，保證爐溫相對穩定條件下，隨著煙氣再循環管路中的調節閥門開度增大（再循環煙氣量增大），排煙中含氧量逐漸下降、一氧化碳先平穩再上升、氮氧化物排量逐漸下降；另隨著調節閥門開度增大，排煙溫度上升、排煙量減少、以及天然氣使用量減少；閥門開度由0°開到60°時，氮氧化物排放速率減少了57.4%，天然氣用量減少了9.2%。

表1 試驗測試數據表明：焚燒爐空載運行時助燃氣體為空氣情況下，所產生的NOX主要為熱力型氮氧化物，應用煙氣再循環低氮燃燒技術改造后，閥門開度小于60°時，焚燒爐排煙中NOX排放量顯著減少，煙氣再循環量不宜過大；隨循環煙氣量增大，CO 含量慢慢有較大增加，一方面可能是含氧量降低后，不完全燃燒增加導致，另一方面可能是含濕量增大后天然氣中的甲烷與水蒸氣發生了化學反應生成了CO。

由表2 知，焚燒爐帶負載運行時，保證爐溫相對穩定條件下，隨著煙氣再循環管路中的調節閥門開度增大（再循環煙氣量增大），排煙中含氧量逐漸下降；雖NOX濃度上升，因總排煙量減少，以致排放速率較穩定；閥門開度由0°開到45°時，天然氣用量減少了9.3%，一氧化碳含量減少了20%。

表2 試驗測試數據表明，焚燒爐帶負載運行時情況下，助燃氣體中混合了生產過程中釋放的較多含氮化合物后，應用煙氣再循環低氮燃燒技術改造后的焚燒爐排煙中NOX排放濃度是增大的，說明工藝生產過程中釋放的含氮化合物被更徹底的熱分解生成了氮氧化物。

3 結論

卷煙廠膨脹煙絲熱端焚燒爐排煙經煙氣再循環低氮燃燒技術改造后：①干冰膨脹煙絲生產線熱端焚燒爐的節能減排顯著，天然氣用量減少了9%以上。②煙氣再循環低氮燃燒脫硝技術降低了燃燒含氧量和均勻了燃燒溫度，有效降低了熱力型氮氧化物；膨脹煙絲生產線工藝生產過程中釋放的較多含氮化合物經煙氣再循環后被更徹底的進行了熱力分解，所生成的燃料型氮氧化物遠大于因煙氣再循環低氮燃燒脫硝技術所降低的熱力型氮氧化物量。③煙氣再循環低氮燃燒技術的應用，使得助燃風中的含碳化合物充分燃燒，排放尾氣中一氧化碳含量顯著降低。④由于助燃風中水蒸氣含量較大，經循環燃燒后排放尾氣中一氧化碳的濃度仍維持在200mg/m3以上，這為煙氣綜合治理，采用SCR 脫硝技術提供了還原劑條件，可以免去常規脫銷還原劑氨氣的使用。